Трассировка лучей и RTX: что это за технология и кому она полезна

Рейтрейсинг, или трассировка лучей, — это математическая технология создания реалистичной компьютерной графики за счет физически корректного освещения.

Миру она известна давно, но на слуху в игровом сообществе появилась несколько лет назад.

Раньше в играх свет отдельно никто не программировал — сцена состояла из пикселей, заранее окрашенных разным цветом. Со временем разработчики стали расставлять по сцене источники освещения, чтобы сделать картинку объемнее и реалистичнее.

Рейтрейсинг идет дальше и позволяет рассчитывать траекторию падения света в реальном времени и может даже спроектировать путь отдельного взятого фотона.

Я расскажу, чем различаются виды рейтрейсинга и стоит ли покупать дорогую видеокарту ради более реалистичной картинки в играх, а также покажу, как это работает в жизни.

Трассировка лучей — это технология, которая заставляет свет в игре вести себя так же, как в реальной жизни.

Как это работает. Суть трассировки заключается в просчете виртуальных фотонов  света, которые падают на все объекты в кадре или на определенную поверхность.

В расчет берутся не только основные лучи, которые идут от самого источника, но и второстепенные — которые родились при преломлении или отражении света от объекта в игре.

Например, в игровой сцене стоит машина, свет на которую не напрямую попадает от главного источника, а отражается от ближайшего окна или другой поверхности. Он может осветить часть кузова или быть настолько слабым, что отразится лишь в зеркале заднего вида.

Особенности поведения света зависят от того, как устроен объект — черный или белый, матовый или глянцевый, зеркальный или vantablack  . Лучи, в зависимости от объекта, могут быть направленными или рассеянными, яркими или тусклыми и даже менять оттенок.

С трассировкой изображение резко меняется: луч не просто делает сцену ярче, а заполняет виртуальное пространство светом так, как это происходит в реальной жизни. Например, если луч падает на черный матовый предмет, он будет поглощен, а если на белый — отражен и рассеян. При этом цветные поверхности, отражающие свет, не просто отбрасывают блики, но еще и окрашивают окружающие предметы в свой оттенок.

В профессиональной среде это называют паразитными оттенками, а на практике с этим явлением встречался любой человек на планете. Например, если вы попытаетесь сфотографировать человека среди множества зеленых предметов, например, растений, тон кожи может приобрести зеленоватый оттенок. Фотографы стараются избегать такого, но в играх это считается крутым эффектом.

Нужен ли рейтрейсинг всем. Нет, физически корректное рассеивание света не гарантия качественной игровой графики.

Грамотная работа художников и дизайнеров уровней важна в разы больше, чем возможности игрового движка и видеокарты пользователя.

Трассировка бывает трех видов: обычная, обратная и паттрейсинг. Обычная требует невероятно мощного железа, поэтому в играх не используется. Остальные работают по упрощенным схемам — учитывают либо только первичные лучи  , либо одно-два дополнительных отражения, тогда как в жизни свет может преломляться и рассеиваться сотни раз.

Обычная трассировка. Увидеть работу такой технологии в играх невозможно. Это очень требовательная к ресурсам компьютера задача, для работы которой не хватит мощности даже самой дорогой игровой видеокарты в мире.

Выполнять ее в реальном времени невозможно. При 3D-моделировании в архитектуре или медицине просчет одного кадра занимает не меньше нескольких минут, а то и часов. В играх же свет нужно считать на лету не менее 30 раз в секунду.

С полноценной трассировкой тысячи лучей отражаются от предметов и меняют свои свойства миллионы раз. Сюда входит не только прямое освещение объектов, но и тени, отражения, видимость через прозрачные преграды. Часть моделируемых лучей попадает даже туда, где зритель их не видит: за стену или другое препятствие. Поэтому для игр количество самих лучей и их отражений ограничивают, как и размеры пространств, для которых ведется расчет.

Обратная трассировка. Упрощенный метод, который позволяет обрабатывать не все лучи света в кадре, а только те, что попадают в поле зрения.

При этом все вне его остается без трассированного освещения. Такой способ используется практически во всех играх, которые поддерживают технологию.

Это честный способ снизить нагрузку на компьютер, так как при его использовании отрезается лишнее и остаются только визуальные эффекты, заметные зрителю. Качество картинки при этом остается на высоком уровне, а влияние на производительность снижается в разы.

Трассировка пути, паттрейсинг, или Path Tracing. Улучшенная версия ограниченного рейтрейсинга — она обрабатывает не только лучи и отражения в зеркалах, но и все вторичные лучи, которые летают по сцене, ударяясь и отражаясь от объектов.

Технология требует больше ресурсов видеокарты, но выдает лучшую из возможных картинок в играх.

Способ обратной трассировки недостаточно хорош, если придираться к освещению и его поведению в кадре. Например, упрощенный рейтрейсинг часто делает сцены слишком темными, если в кадре присутствует слабый источник освещения.

Например, в темных помещениях игры «Метро: Исход» с рейтрейсингом царит непроглядная тьма — это мешает игроку, искажает художественную задумку дизайнера и порой даже не соответствует тому, как сцена смотрелась бы в реальности. Если переключиться на обычное статичное освещение, которое разработчики расставили заранее, сцена смотрится куда лучше.

Паттрейсинг решает эту проблему. Его суть в том, что лучи отслеживаются не до первого препятствия, а с учетом нескольких отражений и преломлений. Поэтому сцены получаются светлее и естественнее.

Чтобы компьютер не закипел от возросшей нагрузки, для оптимизации паттрейсинга используются хитрости. Например, система игнорирует бесполезные лучи, которые не скажутся на объектах в кадре, а также те, что повторяются много раз.

Полезные выбираются математическими алгоритмами и потом точно настраиваются разработчиками. Если оставить слишком мало лучей, эффект от трассировки будет незаметен, а если много, ПК начнет тормозить. Поэтому интенсивность паттрейсинга можно отрегулировать в настройках в соответствии с возможностями конкретного ПК.

Первопроходцы этой технологии — RTX-переиздания Quake 2 и Portal. Чтобы узнать, как компьютер справится со сложными сценами и множеством лучей, тестеры обычно запускают требовательный Cyberpunk 2077. В игре обратная трассировка и паттрейсинг переключаются в режимах «Ультра» и «Перегрузка».

Трассировка лучей — это не только основное освещение в кадре. С помощью света в играх создаются и другие зрелищные эффекты — тени и отражения.

Отражения за счет рейтрейсинга просчитываются гораздо эффективнее и точнее, чем нарисованные классическим способом — с помощью двойного рендеринга  . Трассировка позволяет избежать двойной работы, потому что отрисовывает в зеркале только информацию, которая реально в него попадает.

Тени с рейтрейсингом тоже становятся реалистичнее. Они на самом деле отбрасываются на объект в зависимости от положения света в кадре, а не приклеиваются к ногам персонажей и объектам вручную.

И не только — благодаря рейтрейсингу тени могут быть мягкими и резкими, контрастными и тусклыми, а также менять цвет, если на это влияют характеристики объекта и самого источника света.

Отсечение геометрии, или Occlusion Culling. Одна из технологий, которая увеличивает производительность при прорисовке больших локаций с трассировкой лучей.

Наличие отсечения в игре легко проверить — с видом от первого лица посмотрите на небо и проверьте счетчик кадров. Если частота выросла, значит, игра поддерживает Occlusion Culling и не обрабатывает объекты за границами кадра.

Даже самая упрощенная трассировка очень требовательна к аппаратным ресурсам видеокарты. Современные игры с поддержкой рейтрейсинга способны перегрузить такую дорогую и мощную видеокарту, как RTX 4090. Для этого не нужно ничего придумывать — достаточно установить Cyberpunk 2077, выкрутить настройки рейтрейсинга на максимум и посмотреть на счетчик частоты кадров.

Если в 1080p или 1440p флагманская видеокарта выдаст больше 60 кадров в секунду, то в 4K наблюдаются просадки до 30 FPS и ниже. Можно представить, насколько сложно в этих условиях будет работать базовым и менее мощным видеокартам.

Главный минус рейтрейсинга — высокий порог входа. Чтобы ощутить прелести физически корректного освещения и отражений, нужно вложить в игровой компьютер сотни тысяч рублей. А потом еще и найти игру, в которой технология реализована на должном уровне, что тоже бывает не так уж просто.

Именно поэтому трассировка лучей до сих пор не вошла в число обязательных видеоигровых технологий вроде корректной физики падения и перемещения предметов.

Апскейлинг — главный способ борьбы с падением производительности. Компьютер запускает игру с пониженным разрешением, чтобы облегчить работу видеокарте, а потом накладывает на изображение специальные фильтры и эффекты, чтобы оно смотрелось четким и резким на современных мониторах. Это значительно увеличивает производительность, но иногда картинка приобретает неприятную рыхлость или начинает мерцать в местах, где алгоритмы теряются в мелких деталях.

Генерацию кадров при помощи ИИ все чаще применяют вместе с масштабированием. Также набирает популярность ИИ-генерация кадров. То есть компьютер не честно создает каждый фрейм, а придумывает его на основе предыдущих ценой меньших затрат ресурсов.

На современных видеокартах схема с апскейлингом и генерацией работает отлично — картинка становится плавной и четкой, а производительность игр увеличивается на 300% или даже больше.

RTX — это линейка видеокарт Nvidia GeForce с поддержкой трассировки лучей. Происходит аббревиатура от RT — RayTracing, а X маркировка обозначает принадлежность к игровой линейке.

Видеокарты серии RTX впервые появились в 2018 году, когда на рынок вышли модели 20-й серии: RTX 2060, RTX 2070, RTX 2080, а позже — их улучшенные версии. Затем компания Nvidia выпустила 30-ю серию, а сейчас актуальны видеокарты 40-й.

Главное отличие архитектуры RTX от более старых с пометкой GTX — дополнительные вычислительные блоки, которые позволяют снять нагрузку с видеокарты в играх:

1. RT-ядра, ответственные за трассировку лучей.
2. Тензорные ядра, ответственные за нейросетевые функции — обработку DLSS и других систем с ИИ. Например, фирменный софт позволяет заменять фон на видео, устранять лишние шумы из аудиозаписей или оживлять персонажей в играх, чтобы они взаимодействовали с окружением и друг другом более естественно.

Блок с тензорными и рейтрейсинг-ядрами — эксклюзивная фишка топовых видеокарт Nvidia 20-й серии и новее. У видеокарт AMD и Intel поддержка трассировки тоже есть, но они уступают в производительности, потому что обрабатывают лучи силами основного графического процессора. Это еще сильнее снижает частоту кадров.

Уровень графики в игре оценивают по двум факторам: качеству освещения и детализации текстур. Причем иногда достаточно чего-то одного.

Второстепенные технологии вроде особо реалистичной проработки лошадиных грив тоже помогают, но без света и текстур положение не спасут. Звучит комично, но сильнее всего разница от включения лучей заметна в Minecraft. Похожий эффект есть и в других старых играх — например, в обновленной Portal.

Хороший пример красивой игры — Red Dead Redemption 2, в которой художники очень хорошо постарались над окружением, ручной расстановкой света и проработкой мелочей. Трассировки в ней нет, и свет зачастую падает совершенно неестественно, зато идеально подчеркивает и дополняет художественную задумку создателей.

Обратный пример — Minecraft и Portal. Это старые игры с примитивными текстурами и моделями объектов, но сверхреалистичный свет с трассировкой пути делают их эффектными и по-своему красивыми. Старые проекты с трассировкой лучей выглядят намного лучше, чем без нее.

А вот с новыми играми эффект не такой сильный: там зачастую просто не получается выкрутить трассировку пути на максимум, да и традиционный статичный свет без трассировки в них часто смотрится неплохо.

Чтобы увидеть реалистичные отражения, тени и освещение, нужно установить в систему подходящую видеокарту. Программно запустить трассировку можно на любой видеокарте последних двух-трех поколений любого производителя. Но в реальности хорошо справятся с лучами не все модели.

Номинально для рейтрейсинга подойдут все видеокарты Nvidia GeForce, которые имеют RTX в названии — желательно выбирать видеокарты 40-й серии и новее. Для верности обращайте внимание на модели повыше классом  — RTX 4080 и 4090 мощнее всего, а еще лучше, если в конце есть приписка Ti или Super.

Для полноценной работы с лучами подойдет RTX 4070 Super и мощнее. С картами AMD в трассировку лучше пока не погружаться: у них нет отдельных вычислительных блоков для обработки рейтрейсинга и все выполняется силами основного ядра. Поэтому даже самая мощная Radeon RX 7900 XTX с большим трудом и серьезными просадками частоты кадров запускает эффекты RT.

Трассировка лучей есть во многих крупных играх последних лет. Но не во всех эффект рейтрейсинга по-настоящему впечатляет. Вот какие стоит попробовать первым делом.

Актуальный каталог игр с поддержкой рейтрейсинга и других технологий обработки графики можно найти на официальном сайте Nvidia.

Cyberpunk 2077. Ролевой шутер от CD Projekt RED раскрывается именно с технологией RTX. Неоновые вывески реалистично отражаются в лужах и на асфальте, а на покрытии машин можно рассмотреть отражение лица главного героя.

Nvidia советует запускать Cyberpunk 2077 с рейтрейсингом только на самых мощных видеокартах — как минимум RTX 3080.

Alan Wake 2. Экшен-хоррор студии Remedy называют одной из самых технологичных игр современности. И не зря: здесь отлично использовали рейтрейсинг. В кат-сценах и игровом процессе у предметов естественные тени, а на стеклах — отражения. Трассировка лучей позволяет лучше погрузиться в мрачную атмосферу игры, где особое внимание уделяют источникам света.

Alan Wake 2 еще требовательнее к видеокартам, чем Cyberpunk 2077. На комфортное прохождение с трассировкой лучей понадобится RTX 4080.

Metro Exodus. Шутер 4A Games получил поддержку RTX одним из первых — еще в 2019 году. С включенным рейтрейсингом в игре более реалистичное освещение: солнечные лучи ярче, а неосвещенные участки — темнее.

В отличие от других игр списка, Exodus не так требовательна к видеокартам. В 1080p на максимальных настройках с трассировкой лучей понадобится RTX 2070 или RTX 3060. А на настройки с 4K и 60 FPS — RTX 3090. У игры есть ремастер 2021 года — Enhanced Edition. В этой версии вообще нет режима без рейтрейсинга, а для освещения используется продвинутый паттрейсинг. Она намного требовательнее, чем изначальный релиз, но выглядит ощутимо реалистичнее.

Portal RTX. Бесплатное дополнение для легендарной Portal полностью меняет ее графику. На стерильных стенах лабораторий появляются полноценные отражения и блики, а предметы отбрасывают реалистичные тени.

Графика в Portal RTX так хороша, что игру стоит перепройти именно в таком виде. К сожалению, для стабильной работы в 4K понадобится как минимум RTX 4080 или RTX 4090, иначе игра 2007 года будет выдавать меньше 30 FPS.

RTX и рейтрейсинг — разные вещи. Трассировка лучей — это технология реалистичного освещения и отражений, доступная в играх и профессиональных программах.

RTX — это серия продвинутых видеокарт компании Nvidia, которые тянут трассировку лучше всего. Но сам по себе рейтрейсинг работает и на видеокартах других фирм вроде AMD Radeon или Intel Arc.

Рейтрейсинг используется не только в играх, но и в профессиональных задачах.

Например, трассировка популярна у дизайнеров, которые создают интерьеры, архитектурные сооружения и ландшафтные решения. Или у инженеров, которые точно моделируют различные объекты.

Также трассировка лучей широко применяется в кино — в фильмах с большим количеством 3D-графики очень важен естественный и реалистичный свет, чтобы нарисованные сцены и объекты не так сильно отличались от реальных актеров и натурных съемок.

Как включить рейтрейсинг на видеокарте. Трассировка лучей включается не на видеокарте, а в графических настройках игры. Например, в Cyberpunk 2077 можно отдельно включать трассировку для отражений и теней, а также регулировать настройки освещения. При необходимости можно активировать трассировку пути.